计算机网络与通信：信源与信宿

信源是指发出信息的信息源，一般是指发送信息的计算机。信息可以是一串数字，也可以是文字、图形、图像、声音、视频等。为了传输这些信息，在数字通信系统中，首先需要在信源处将它们变为“0”“1”二进制编码，称之为信源编码。

信宿是传输信息的归宿，是相对信源来说的，其作用是将从信道接收到的信号转换成相应的消息。

在信源处，将原始信息转换为二进制代码。在信宿处，再进行反变换，将二进制编码转换为原来的信息，完成这个转换功能的设备叫编码解码器（CODEC）。信源处的信息一般称为信源数据，数据是信息的具体表现形式。信源数据也分为连续的模拟信源数据和离散的（数字）信源数据。例如，语音电话通信中的原始语音属于模拟类信源数据，而我们的文字代码属于离散类的信源数据（为了避免和二进制数字数据混淆，这里用离散）。简单地说，不论是何种信源数据在传输之前都要先转换为二进制数据。关于原始信息的二进制编码，可深入学习信息编码技术原理。我们重点学习数字通信系统中的相关编码技术。

数字通信最早应用在语音电话通信网中，在此之前的语音电话通信是纯粹的模拟通信系统，贝尔发明的电话机实现了模拟的声音信号和模拟的电波信号的相互转换（在话筒处声电转换），转换后的电信号通过金属电话线缆传递到听筒（在听筒处电声转换），声音实现了远距离快捷的传播。信息技术将数字通信带入语音电话通信系统中，就是在电话机和电话线之间加了编码/解码器，话筒处的连续模拟信号经过编码转换为离散数字信号（二进制代码），也称为ADC；听筒处将收到的离散的数字信号解码为接近真实的连续模拟信号，也称为DAC。这个技术就是对现代通信网影响深远的脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）技术。

这里就以PCM 编码为例简单介绍模拟类数据的一种数字传输过程，PCM 通信的简单模型如图2-2所示。

图2-2　PCM 通信的简单模型

从图中可知，模拟语音信号变为PCM 信号要经过抽样（又称采样或取样）、量化和编码3 个过程。

1．抽样

PCM 编码以抽样定理为基础，即如果在规定的时间间隔内，以有效信号最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中就包含了无混叠而又便于分离的全部原始信号的信息，利用低通滤波器可以不失真地从这些采样值中重新构造出原始信号。抽样定理表示公式为

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式（2-2）中，Fs 为抽样频率，Ts 为抽样周期，Fmax 为原始有限带宽模拟信号的最高频率。

例如，电话中的话音信号的最高频率一般取3 400 Hz，故抽样频率在6 800 次/s 以上才有意义.早期规定以 8 000 Hz 的采样频率对话音信号进行采样，即抽样周期为1/8 000 s=125 μs，则在样值中包含了话音信号的完整特征，由此还原出的话音是完全可理解和被识别的。话音信号抽样后信号所占用的时间被压缩了，这是后面要讲到的时分复用技术的必要条件。

PCM 抽样方法是每隔一定的时间间隔T，在抽样器上接入一个抽样脉冲，取出话音信号的瞬时电压值（即抽样值），抽样频率越高，抽样值恢复原始信号的精度越高。

2．量化

抽样后的信号，其幅度的取值仍是无限多个。将抽样所得到的信号幅度按ADC 的量级分级取有限的量化值。量化可以采取四舍五入的方法，使每一个抽样后的幅值用一个临近的整数值来近似。

3．编码

编码就是把量化后抽样点的幅值分别用代码表示，经过编码后的信号，就已经是PCM信号了。假设量化分8 个等级，就需要用3 位二进制码表示。二进制代码的位数代表了采样值的量化精度。实际语音电话应用中，通常用8 位二进制码来表示一个样值。这样，对话音信号进行PCM 编码后所要求的数据传输速率为

8 bit×8 000 Hz=64 000 b/s=64 kb/s

PCM 技术推动了数字通信的发展，并随着固定电话通信网的发展迅速普及，相关标准也成为现代通信网技术甚至信息技术的基础。PCM 编码不仅可用于数字化语音数据，还可以用于数字化视频、图像等模拟数据。例如，彩色电视信号的带宽为4.6 MHz，采样频率为9.2 Hz，如果采用10 位二进制编码来表示每个采样值，则可以满足图像质量的要求。这样，对电视图像信号进行PCM 编码后所达到的数据速率为92 Mb/s。